Аналоговый электронный вольтметр — измерительный прибор, который состоит из электронного преобразователя, выполненного на полупроводниковых элементах, интегральных микросхемах, и магнитоэлектрического измерителя.
Для измерения напряжения в радиоэлектронных цепях используют следующие типы электронных вольтметров: постоянного тока (В2), переменного тока (ВЗ), импульсные (В4), фазочувстви-тельные (В5), селективные (В6), универсальные (В7).
Аналоговые электронные вольтметры постоянного тока по сравнению с магнитоэлектрическими вольтметрами имеют большое входное сопротивление (порядка 10—30 МОм) и высокую чувствительность. Значение входного сопротивления неизменно при переключении пределов измерения.
Схема аналогового электронного вольтметра постоянного тока представлена на рис. 11.1. Вольтметр состоит из входного устройства — высокоомного резистивного делителя напряжения; электронного преобразователя — усилителя постоянного тока; электромеханического преобразователя — магнитоэлектрического микроамперметра.
Усилитель постоянного тока (УПТ) предназначен для повышения чувствительности вольтметра, увеличивает мощность сигнала до уровня, необходимого для приведения в действие магнитоэлектрического измерителя. УПТ должен обладать высокой линейностью амплитудной характеристики, постоянством коэффициента усиления, малым дрейфом нулевого уровня.
Линейность амплитудной характеристики обеспечивается правильным выбором режимов работы транзисторов, микросхем усилителя.
Рис. 11.1. Схема электронного вольтметра постоянного тока
Отрицательная обратная связь в усилителе повышает стабильность коэффициента усиления и улучшает линейность амплитудной характеристики. Стабилизация питающих напряжений также способствует стабилизации коэффициента усиления.
Для уменьшения дрейфа нулевого уровня, кроме стабилизации питающих напряжений, усилитель выполняют по мостовой балансной схеме. Расширение пределов измерения осуществляется с помощью делителя и сопротивления обратной связи.
Аналоговые электронные вольтметры переменного тока выполняют по схемам: 1) преобразования переменного напряжения в постоянное и дальнейшего усиления постоянного напряжения (рис. 11.2, а); 2) усиления переменного напряжения и дальнейшего преобразования переменного напряжения в постоянное (рис. 11.2, б).
Вольтметры, построенные по первой схеме, характеризуются широким частотным диапазоном 20 Гц — 1000 МГц, но недостаточно высокой чувствительностью. Вольтметры, построенные по второй схеме, характеризуются сравнительно узким частотным диапазоном 10 Гц—20 МГц, определяемым полосой пропускания усилителя переменного тока, но более высокой чувствительностью.
Рис. 11.2. Схемы электронных вольтметров переменного тока
Характеристики аналоговых электронных вольтметров переменного тока и градуировка их шкал в основном определяются схемой электронного преобразователя (детектора). Различают преобразователи амплитудного, средневыпрямленного, среднеквадра-тического значений, преобразующие переменное напряжение в постоянное, пропорциональное по уровню соответственно амплитудному, средневыпрямленному и среднеквадратическому значениям измеряемого напряжения.
Вход преобразователей относительно постоянной составляющей измеряемого напряжения может быть открытым либо закрытым (с разделительным конденсатором на входе).
По частотному диапазону аналоговые электронные вольтметры переменного тока делятся на низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные.
Рис. 11. 3. Схема универсального аналогового электронного вольтметра
Универсальные аналоговые электронные вольтметры состоят из двух схем (рис. 11.3) для измерения напряжения в цепях постоянного (см. рис.11.1) и переменного (см. рис. 11.2, а) токов с преобразователем амплитудного значения, закрытым входом и выходным индикатором (магнитоэлектрический амперметр), шкала которого отградуирована в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала.
Свойства электронных вольтметров определяются схемой входа, полным входным сопротивлением, схемой и характеристикой преобразователя, зависимостью показаний прибора от формы и частоты измеряемого напряжения, диапазоном измерений, погрешностью.
Измерительные преобразователи напряжения характеризуются полным диапазоном изменений преобразуемой величины; частотным диапазоном; основной и дополнительными погрешностями.
Погрешность обусловлена изменением неинформативных параметров, наличием методических погрешностей, нелинейностью функции преобразования, ограниченной точностью образцовых средств градуировки, воздействием дестабилизирующих факторов (температуры, неидеальности схемных элементов и др.).
Входное сопротивление вольтметра состоит из активной и реактивной составляющих. Активная составляющая входного сопротивления Rвх зависит от схемы входа, преобразователя, типа применяемого нелинейного элемента, используемого диэлектрика во входном конденсаторе и может изменяться в широких пределах. Входная емкость электронного вольтметра Свх образована емкостью входных элементов, токоподводящих проводников, межэлектродной емкостью входных нелинейных элементов. На высоких частотах учитывается также индуктивность Lвх токопроводящих проводников. С увеличением частоты входное сопротивление уменьшается, поскольку уменьшается сопротивление электрических потерь во входной емкости.
Эквивалентная схема входной цепи вольтметра на высоких частотах, несимметричная относительно земли, представлена на рис. 11.4. Для уменьшения частотной погрешности измерения собственная частота входной цепи вольтметра f0 = 1/(2π √(LвхСвх) должна быть в 5—10 раз выше частоты измеряемого вольтметром напряжения. Поскольку входное сопротивление Rвх определяет мощность потребления вольтметра от объекта измерения, оно должно быть в 50—100 раз больше сопротивления участка цепи, к которому вольтметр подключается параллельно.
Рис. 11.4. Эквивалентные схемы входной цепи
Схему входной цепи вольтметра можно упростить, если диапазон частот измеряемого напряжения порядка 10—30 МГц и индуктивность Lвх не учитывается, тогда входное сопротивление Zвх носит активно-емкостный характер (рис. 11.4, а); в диапазоне частот 1—10 МГц входное сопротивление определяется преимущественно емкостным сопротивлением Zвх = 1/(jωСвх) (рис.11.4, б), так как оно много меньше активного сопротивления; в диапазоне частот ниже 1 МГц — активным сопротивлением Zвх = Rвх (рис. 11.4, в), так как Rвх «1/(jωСвх).
Для исключения погрешностей, вызванных влиянием паразитных емкостей, клеммы электронного вольтметра и объекта измерения, соединенные с корпусом, должны быть соединены вместе и заземлены.
При измерениях напряжения на частотах выше 1 МГц необходимо пользоваться пробником, снижающим частотную погрешность, вызванную Lвх и Свх при высоких частотах, а также позволяющим осуществлять измерение непосредственно у объекта.
По пределам измерения напряжений вольтметр выбирают так, чтобы нижний предел обеспечивал достаточно высокую чувствительность, а верхний — позволял по возможности обходиться без применения внешних делителей напряжения.
Шкалы большинства вольтметров независимо от типа преобразователя градуируют в среднеквадратических значениях синусоидального сигнала на частоте 50 Гц, поэтому градуировка справедлива только при измерении сигналов синусоидальной формы, за исключением вольтметра со среднеквадратическим преобразователем. Показания квадратичного вольтметра при измерении напряжения сложной формы соответствуют среднеквадратическому значению этого напряжения.
Электронные вольтметры градуируют и в относительных значениях (дБ) с использованием соотношения 20 Lg (U/Uo) где U — измеряемое напряжение; (U0 — нулевой уровень по напряжению, равный 0,775 В на градуировочном сопротивлении 600 Ом.
По сравнению с электромеханическими вольтметрами аналоговые электронные вольтметры переменного тока имеют следующие достоинства: широкий частотный диапазон измеряемого напряжения от единиц герц до тысячи мегагерц; слабую зависимость показаний от частоты измеряемого напряжения в рабочем диапазоне частот; высокую чувствительность, практически постоянную в рабочем диапазоне частот; широкий динамический диапазон от десятых долей до сотен вольт (благодаря применению усилителей и делителей напряжений); ничтожно малую мощность потребления, так как имеют большое входное сопротивление (Rвх = 5...10МОм), малую входную емкость (Свх = 1...4 пФ), но в то же время развивают мощность, достаточную для приведения в действие выходного магнитоэлектрического измерителя.
К недостаткам аналоговых электронных вольтметров относят их сравнительно большую основную погрешность (2,5—4%), так как смена отдельных элементов схемы влияет на градуировку вольтметров, частотную погрешность и необходимость вспомогательных источников питания. При увеличении частоты измеряемого напряжения до единиц гигагерц основная погрешность может возрасти до 25%.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему